Пример выполнения расчётно-графического задания Полупроводниковые диоды Биполярные транзисторы Варикапы Полевые транзисторы с изолированным затвором Цифровые биполярные микросхемы

Физика решение задач контрольной, курсовой работы

Основы полупроводниковой электроники

Функциональная классификация интегральных микросхем Практические возможности интегральной технологии в настоящее время таковы, что большинство маломощных функциональных узлов РЭА может быть реализовано в виде микросхем. Однако промышленное производство микросхем определенного типа целесообразно лишь тогда, когда данный тип находит массовое применение в РЭА.

Диффузионные и дрейфовые явления в полупроводниках В полупроводниках если длина свободного пробега электрона или дырки значительно меньше толщины барьера, т.е. электрон или дырка испытывает в процессе перехода много столкновений с решеткой, то применяют для вычисления тока через потенциальный барьер диффузионную теорию. Она справедлива для полупроводников с малой концентрацией носителей заряда и малой длиной свободного пробега, например для закиси меди, селена и др.

Потенциальный барьер при  переходе

Пробои  перехода В зависимости от удельного сопротивления полупроводника, типа  – перехода, формы и величины приложенного напряжения, окружающей температуры и условий теплоотвода, состояния поверхности и других факторов физическая природа пробоя может быть различной

Выпрямительный полупроводниковый диод Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним  переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода. Применение полупроводниковых диодов в современной технике весьма разнообразно.

  Варикап – полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости  – перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Полупроводниковые транзисторы Типы транзисторов Транзистором называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с электронно дырочными переходами, пригодный для усиления мощности и имеющий три или более выводов.

Вольтамперные характеристики биполярных транзисторов

 Полевым транзистором называют электропреобразовательный прибор, в котором ток канала управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и стоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

 Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя (или более) переходами, вольтамперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для переключения.

Современная полупроводниковая  электроники

 Изучение электровакуумных и полупроводниковых приборов составляет существенную часть современной науки, которая называется электроникой. Радиоэлектроника является одной из областей применения электроники и созданных ею приборов электровакуумных, полупроводниковых и квантовых.

Принцип действия полупроводниковых приборов основан на перемещении и распределении зарядов под воздействием электрических и магнитных полей внутри кристаллов твердого тела. Такие приборы не только способны во многих случаях заменить радиолампы, но и открывают новые возможности применения радиоэлектроники в ряде отраслей народного хозяйства. Особенно важным оказалось применение полупроводниковых приборов в тех установках, которые состоят из десятков тысяч активных элементов (например, электронные вычислительные машины): полупроводниковые приборы позволяют уменьшить размеры (миниатюризировать) и повысить сроки надежной работы аппаратуры.

Миниатюризация электронной аппаратуры

Развитие электроники характеризуется постоянным увеличением сложности электронных устройств. Сложность электронной аппаратуры возрастает с каждым годом.

В 50е годы прошлого века в устройствах стали применять огромное количество электронных ламп. Выяснилось, что их возможности ограничены: каждая электронная лампа имеет небольшой срок службы, значительные габариты и потребляет при этом большую энергию.

Недостатки электронных ламп при одновременном непрерывном усложнении электронных устройств заставили специалистов разрабатывать электронные приборы с другим принципом действия, которые могли бы заменить по своим функциональным возможностям электронные лампы, ими оказались полупроводниковые приборы,

Применение полупроводниковых приборов в электронике, вычислительной технике, автоматике, энергетике приобрело массовый характер, что определялось их большими достоинствами: высоким к.п.д., долговечностью, надежностью, небольшими габаритами, массой и т.д.

Характерным для современного этапа научнотехнической революции является применение все более сложной, но и более надежной электронной аппаратуры.

Потому одним из главных направлений развития полупроводниковой электроники в последние десятилетия явилась и н т е г р а л ь н а я м и к р о э л е к т р о н и к а. В последние годы широкое развитие получили полупроводниковые интегральные микросхемы.

 Полупроводниковая интегральная микросхема микроминиатюрный функциональный узел электронной аппаратуры, в котором элементы и соединительные проводники изготовляются в едином технологическом цикле на поверхности или в объеме полупроводникового материала и имеют общую герметичную оболочку.

Важной особенностью микроэлектроники является разработка и внедрение методов предельного уменьшения физических размеров элементов микросхемы: микрорезисторов, диодов, транзисторов. Это приводит к увеличению функциональных возможностей микросхем, повышению их надежности и быстродействия, снижению потребления энергии.

Полевые и биполярные транзисторы, полупроводниковые диоды и резисторы, конденсаторы и прочие электронные приборы и радиодетали часто называют элементами радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), или электрорадиоэлементами, так как они составляют основу функциональных структур, реализующих обусловленные назначением аппаратуры алгоритмы формирования, преобразования, хранения, обработки и воспроизведения сигналов.

В последнее время получила широкое распространение иная технология изготовления функциональных узлов, при которой процессы объединения их в функциональную конструктивно завершению структуру совмещаются. Эта технология получила название и н т е г р а л ь н о й. Функциональные узлы РЭА, изготовляемые методом интегральной тенхнологии, были названы ин е г р а л ь н ы м и м и к р о с х е м а м и (ИС).

Проблема миниатюризации традиционна для радиоэлектроники, но назначение ее непрерывно растет по мере расширения областей применения РЭА, усложнения радиооборудования и повышения ответственности выполняемых им функций.

Появление ИС это фактически создание новой, более совершенной элементной базы РЭА. Интегральная технология изменила представление об оптимальних функциональных структурах радиоэлектронных устройств и их функциональном базисе. Произошло формирование специальной отрасли электроники, разрабатывающей проблемы конструирования и производства электронных изделий на базе интегральной технологии. Эта отрасль получила название микроэлектроники.

Микросхемы повышенного уровня интеграции

 По числу содержащихся в корпусе микросхем элементов различают шесть степеней интеграции. Они:

 первая степень интеграции  ;

 вторая степень интеграции ;

 третья степень интеграции ;

четвертая степень интеграции ;

  пятая степень интеграции ;

 шестая степень интеграции  элементов.

 Интегральные микросхемы, содержащие более 100 элементов, принято называть микросхемами повышенного уровня интеграции. Микросхемы повышенного уровня интеграции имеют по сравнению с микросхемами малого уровня интеграции значительно лучшие габаритные характеристики, меньшую стоимость в расчете на один функциональный элемент, а также ряд других преимуществ, благодаря которым удается существенно улучшить основные техникоэкономические характеристики аппаратуры.

 Вместе с отмеченными достоинствами микросхемы повышенного уровня интеграции имеют целый ряд особенностей, которые осложняют их разработку, изготовление и применение.

 Повышение степени интеграции в большинстве случаев приводит к увеличению сложности функций, выполняемых микросхемой. С одной стороны это положительный фактор, так как при использовании более сложных микросхем упрощается проектирование и изготовление аппаратуры. В то же время стоимость аппаратуры может возрасти.

 При повышении плотности упаковки усиливается электромагнитная связь между элементами за счет близкого расположения межсоединений и самих элементов, что приводит к понижению помехоустойчивости микросхем. Появляются значительные трудности при изготовлении малых по размерам корпусов с большим количеством выводов. Что существенно сдерживает увеличение степени интеграции. Полупроводниковые микросхемы повышенной степени интеграции изготавливают главным образом на основе МДПтранзисторов. Это объясняется их преимуществами перед микросхемами на биполярных транзисторах: второе меньшим числом технологических операций и на порядок большей плотностью размещения элементов на подложке.

 Однако по быстродействию они уступают микросхемам на биполярных транзисторах. Поэтому основную область их применения составляет аппаратура сравнительно невысокого быстродействия.

 По технологи изготовления различают полупроводниковые и гибридные интегральные микросхемы.

  Полупроводниковая микросхема это интегральная микросхема все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.

  Гибридная интегральная микросхема интегральная микросхема, пассивные элементы которой выполнены посредством нанесения различных пленок на поверхности диэлектрической подложки из стекла, керамики, ситалла или сапфира, а активные элементы бескорпусные полупроводниковые приборы. Гибридные интегральные микросхемы перспективны для устройств с небольшим количеством элементов, в которых может быть обеспечена высокая точность параметров.

Решение задачи с помощью моделирования работы схемы

1.Для моделирования работы схемы в Electronics WorkBench необходимо произвести выбор необходимых элементов для моделирования.

Рис.4.5.1. Необходимые наборы элементов

2.Произвести выборку необходимого количества элементов для построения схемы. Для построения схемы необходимо:

Резисторов -11 шт. 

 Э.Д.С – 3 шт. 

 Источник тока -1 шт. 

3.Назначить номиналы элементов и названия элементов в соответствии с условием. Для этого два раза щелкнем на элементе, в появившемся окне заполним вкладки Label и Value.

 

Рис.4.5.1. Вкладки для назначения номиналов и названий для элементов

4.Соединить выбранные элементы в соответствии с данной схемой.

Рис.4.5.1. Соединение элементов

5.Проверить работу схемы, нажав на включение модуляции .

6.Для определения токов в ветвях выберем прибор Амперметр, он находится в панели Indicators.

 Рис.4.5.1. Панель Indicators


Элементы электрических цепей